Untersuchungen zur Primärstabilität von TOMAS-Pins - Eine In-vitro-Studie -

Abstract

Seit einigen Jahren werden Minischrauben zur kortikalen Verankerung in der kieferorthopädischen Therapie verwendet. Deren Verlustrate scheint von der Primärstabilität nach der Insertion abhängig zu sein. Die vorliegende Studie umfasste drei Teilbereiche. Erstens sollte der Einfluss des Durchmessers der Pilotbohrung, der Kortikalisstärke und der Schraubenlänge auf die Eindreh- und Ausdrehmomente des tomas®-pins untersucht werden. Hierzu wurden 180 Schweine- Beckenknochen präpariert und in drei Gruppen unterschiedlicher Kortikalisstärken eingeteilt (1,0 mm, 1,5 mm, 2,0 mm). Für die Vorbohrungen wurden drei Pilotbohrer (Ø 1,0 mm, 1,1 mm, 1,2 mm; Länge: 8 mm, 10 mm) verwendet. Nach manueller Vorinsertion der Minischrauben wurden mit Hilfe eines speziellen Torque-Messgerätes (Dentaurum, Deutschland) die Eindrehmomente für die letzten 1,5 mm bis zur definitiven Versenktiefe (Kontakt des Kragens mit der Knochenoberfläche) ermittelt und als Funktion zum Drehwinkel aufgezeichnet. Anschließend erfolgte die Messung der Ausdrehmomente. Ergebnisse: Je nach Durchmesser der Pilotbohrung, der Kortikalisstärke und der Pinlänge lagen die Eindrehmomente zwischen 3 Nmm und 249 Nmm, die Ausdrehmomente zwischen 10 Nmm und 309 Nmm. Mit abnehmendem Vorbohrerdurchmesser stiegen die Eindreh- und Ausdrehmomente an, obwohl die Unterschiede zwischen dem Durchmesser 1,0 mm und 1,1 mm statistisch nicht signifikant waren. Mit ansteigender Kompaktadicke zeigten sich höhere Eindreh- und Ausdrehmomente. Für den 10 mm langen Pin wurden geringfügig kleinere Drehmomente gemessen als für den 8 mm langen Pin. Die ermittelten Eindreh- und Ausdrehmomente scheinen nicht nur von den in dieser Studie untersuchten Parametern sondern auch von der gegebenen Knochendichte abhängig zu sein. Alles deutet darauf hin, dass die Knochenqualität des Schweine-Beckenknochens mit der des humanen Kieferknochens nicht vergleichbar ist. Retrospektiv betrachtet, ist das Beckenknochenmodell vom Schwein für Drehmomentversuche von kieferorthopädischen Verankerungsschrauben als sehr fragwürdig einzustufen, da die am Schweine-Beckenknochen ermittelten Drehmomentwerte mindestens 10 Ncm niedriger sind als die klinisch am Menschen gemessenen Werte. Im zweiten Versuch sollte der Einfluss der Vorbohrergröße, der Kortikalisstärke und der Pinlänge auf die Ausreißkräfte des tomas®-pins in axialer Zugrichtung ermittelt werden. Es wurden wiederum 180 Schweine-Beckenknochen präpariert, in drei Kortikalisgruppen eingeteilt und in chemisch härtenden Kunststoff eingebettet. Nach Vorbohrung (Ø 1,0 mm, 1,1 mm, 1,2 mm; Länge: 8 mm und 10 mm) und manueller Insertion der tomas®-pins wurde mit Hilfe der Zwick-Prüfmaschine in axialer Richtung an den Pins gezogen und die Ausreißkräfte gemessen. Ergebnisse: Je nach Vorbohrung, Kortikalisstärke und Pinlänge wurden Ausreißkräfte zwischen 83 N und 674 N gemessen. Mit ansteigender Kompaktadicke zeigten sich höhere Ausreißkräfte. Die Unterschiede zwischen den Ausreißkräften des 8 mm und 10 mm langen Pins waren gering und statistisch nicht signifikant. Die Vorbohrergröße hatte einen geringeren Einfluss auf die Ausreißkräfte als die Kortikalisstärke. In den Kortikalisgruppen 1,0 mm und 2,0 mm wurden annähernd gleichgroße Werte für alle Vorbohrergrößen gemessen. Die im Ausreißkraftversuch der Pins aus dem Schweine-Beckenknochen ermittelten Werte zeigen, dass die tomas®-pins für alle getesteten Vorbohrergrößen, Kortikalisstärken und Pinlängen eine ausreichende Primärstabilität besitzen, um den Kräften, die in der Kiefer-orthopädie üblicherweise für Zahnbewegungen appliziert werden, zu widerstehen. Im dritten Teilbereich interessierte die Widerstandsfähigkeit der für die Befestigung von kieferorthopädischen Drähten im Slot des Schraubenkopfes verwendeten Adhäsive gegenüber Ausreißkräften. Dazu wurden kieferorthopädische Drähte aus einer Stahllegierung (remanium®) mit drei zufällig ausgewählten lichthärtenden Adhäsiven (Contec LC, Transbond XT, Heliosit®) im Slot des Pins befestigt. Mit der Zwick-Prüfmaschine wurde am Draht in axialer Richtung zum Pin und senkrecht zur Pinachse gezogen und die Ausreißkräfte gemessen. Ergebnisse: Die Ausreißkräfte in Achsenrichtung des Pins lagen zwischen 59 N und 263 N und waren insgesamt höher als die senkrecht zur Pinachse gemessenen Werte (8 N bis 48 N). Transbond XT erzielte in beiden Versuchen die größten Werte. Die gemessenen Kräfte im Ausreißversuch des Bogens sind höher als die in der Kiefer-orthopädie üblicherweise angewendeten Kräfte zur Zahnbewegung. Alle drei getesteten Adhäsive eignen sich daher für die Befestigung von kieferorthopädischen Drähten im Slot des Pins.

Over the past years orthodontic mini screws have been used for anchorage during orthodontic treatment. The failure rate seems to depend on the initial stability at the moment of insertion. This experimental examination was divided into three parts. The first study should determine the influence of the diameter of the pilot-drill, the thickness of the cortical bone and the length of the pins on the insertional and removal torques of tomas®-pins. 180 pieces of pigs hip bone were prepared and divided into three groups of different cortical bone thicknesses (1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm). Three different pilot-drills (diameters: 1.0 mm, 1.1 mm, 1.2 mm; lengths: 8 mm and 10 mm) were used to prepare a pilot hole for each pin. The miniscrews were inserted manually and the last 1.5 mm before the collar touched the surface of the cortical bone were analysed by a specific torque measuring instrument (Dentaurum, Germany). The insertional and removal torques were determined as a function of the angle of rotation. Results: According to the pilot hole, cortical bone thickness and pin length the insertional torque values for tomas®-pins ranged from 3 Nmm to 249 Nmm and the removal torque values from 10 Nmm to 309 Nmm.The insertional and removal torques decreased with increasing pilot-drill diameter. There was no statistically significant difference between the pilot-drill diameters 1.0 mm and 1.1 mm. Increased cortical bone thickness resulted in increased torque values. The insertional and removal torques of the 10 mm pins were slightly lower than the values of the 8 mm pins. The pilot-drill diameter, the cortical bone thickness and the pin length have an effect on the placement torque of miniscrews. However, the torque is not only depending on those parameters but also on the bone density. Everything points to the fact that the quality of pigs hip bone is not comparable to human jaws. Retrospectively the hip bone model of pigs is not suitable for torque measurements of miniscrews for anchorage finding that the measured values in this investigation were 10 times lower than the values measured clinically in human jaws. The second study should determine the influence of pilot-drill diameter, cortical bone thickness and pin length on the pullout forces of tomas®-pins in an axial pullout-analysis. 180 pieces of pigs hip bone were divided into three groups of different cortical bone thicknesses (1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm) and embedded in resin. After pilot drilling (diameters: 1.0 mm, 1.1 mm, 1.2 mm; lengths: 8 mm and 10 mm) and manual insertion of the tomas®-pins the pullout-values in the axial direction to the pin were determined with a testing machine (Zwick BZ020/TH2A, Ulm, Germany).Results: According to the pilot-drilling diameter, thickness of cortical bone and pin-length the pullout values varied between 83 N and 674 N.With increasing thickness of cortical bone higher pullout values were measured. We found slight but no significant differences between the 8 and 10 mm pin. The pullout values were less influenced by the diameter of the pilot- drill than by the thickness of the cortical bone. In the cortical bone group 1.0 mm and 2.0 mm the values for all pilot drills were approximately similar. Our results show that tomas®-pins have a sufficient primary stability for all tested pilot-drill diameters, thickness of cortical bone and pin-lengths to resist orthodontic forces used for tooth movements. The aim of the third study was to analyse the mechanical stability of the connection between wire and tomas®-pin. Three light-curing adhesives (Contec LC, Transbond XT, Heliosit®) were chosen to fix a stainless steel wire (remanium®, Dentaurum, Germany) with a dimension of 0,55 mm x 0,64 mm in the slot perpendicular to the longitudinal axis of the pin. Forty testing objects for each adhesive were prepared. A testing-machine (Zwick GmbH & Co., Ulm, Germany) was used to measure the pullout-strength of the fixed wire in the axial direction of the pin and longitudinal direction of the wire. Results: The measured pullout-strength values of the wire varied between 8 N and 263 N depending on the adhesive and direction of the applicated tension. The values of Transbond XT were significantly higher than the values of Heliosit® and Contec LC, which are almost similar. Altogether the pullout-test in the longitudinal direction to the wire showed lower values than the pullout-test in the axial direction of the pin. All three light-curing adhesives are suitable to fix a wire to a miniscrew. The connection between the wire and the pin is stable enough to resist the applicated forces during orthodontic treatment. The application of Heliosit® is very simple because of its flowability. Adhesives minimize patients discomfort and irritations of the gingiva.